En 2018, Arthur Ashkin ganó el Premio Nobel de Física por inventar las pinzas ópticas: rayos láser que pueden utilizarse para manipular partículas microscópicas. Aunque son útiles para muchas aplicaciones biológicas, las pinzas ópticas requieren condiciones estáticas altamente controladas para funcionar correctamente.
“Las pinzas ópticas funcionan creando un ‘punto caliente’ de luz para atrapar partículas, como una bola que cae en un agujero. Pero si hay otros objetos cerca, es difícil hacer ese agujero y moverse alrededor de él”, dice Romain Fleury. Laboratorio de Ingeniería de Ondas de la Escuela de Ingeniería de la EPFL.
Florey y los investigadores postdoctorales Bakhtiar Orazbaev y Matthew Maljek han pasado los últimos cuatro años intentando utilizar ondas sonoras para mover objetos en un entorno dinámico e incontrolado. De hecho, el método del equipo (la formulación de la velocidad de la onda) es completamente indiferente al entorno de un objeto o incluso a sus propiedades físicas. Toda la información que se necesita es la posición del objeto y las ondas sonoras hacen el resto.
“En nuestros experimentos, en lugar de atrapar cosas, las empujamos suavemente, como si se guiara un disco con un palo de hockey”, explica Florey.
Un enfoque no convencional, financiado por el programa Spark de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF), se publica en Física de la naturaleza En colaboración con investigadores de la Universidad de Burdeos en Francia, la Universidad Nazarbayev en Kazajstán y la Universidad Tecnológica de Viena en Austria.
Tan simple, tan prometedor
Si las ondas sonoras son el palo de hockey en la analogía de Flury, entonces un objeto flotante como una pelota de ping pong es el disco. En experimentos de laboratorio, la bola flotó en la superficie de un gran tanque de agua y su posición fue capturada por una cámara superior. Las ondas sonoras audibles emitidas por una serie de altavoces en cada extremo del tanque mueven la bola a lo largo de una trayectoria predeterminada, mientras que otra serie de micrófonos “escucha” la retroalimentación, conocida como matriz de dispersión, porque rebota en una bola en movimiento. Esta matriz de dispersión, combinada con los datos posicionales de la cámara, permitió a los investigadores calcular la velocidad máxima de las ondas sonoras en tiempo real mientras empujaban la pelota a lo largo de su trayectoria.
“Este método se basa en la conservación del impulso, lo que lo hace extremadamente simple y general y, por tanto, muy prometedor”, dice Flory.
La conformación del impulso de onda está inspirada en la técnica óptica de conformación del frente de onda, que se utiliza para enfocar la luz dispersa, pero ésta es la primera aplicación del concepto al movimiento de un objeto, añadió. Es más, el método del equipo no se limita a mover objetos esféricos a lo largo de un camino: también lo usaron para controlar rotaciones y mover flotadores más complejos como un loto de origami.
Imitación de condiciones dentro del cuerpo.
Una vez que los científicos pudieron guiar la pelota de ping-pong, realizaron experimentos adicionales con obstáculos estacionarios y móviles diseñados para agregar falta de homogeneidad al sistema. Al hacer girar con éxito la pelota alrededor de estos objetos dispersos, se demostró que la formulación de velocidad de onda puede funcionar bien incluso en entornos dinámicos e incontrolados, como el cuerpo humano. Fleury añadió que el sonido es una herramienta particularmente prometedora para aplicaciones biomédicas, porque es inofensivo y no invasivo.
“Algunos métodos de administración de fármacos ya utilizan ondas sonoras para liberar fármacos encapsulados, por lo que esta técnica es especialmente atractiva para empujar un fármaco directamente a las células tumorales, por ejemplo On”.
Este enfoque también podría cambiar las reglas del juego para el análisis biológico o las aplicaciones de ingeniería de tejidos donde el contacto con las células puede causar daños o contaminación. Fleury también ve aplicaciones de impresión 3D para dar forma al movimiento ondulatorio, por ejemplo, organizando partículas microscópicas antes de solidificarlas en un objeto.
En última instancia, los investigadores creen que su método podría funcionar utilizando luz, pero su próximo objetivo es llevar sus experimentos basados en sonido de la escala macro a la micro. Ya han recibido financiación del SNSF para llevar a cabo experimentos bajo un microscopio, utilizando ondas ultrasónicas para mover las células.
